Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Einfluss der Kantenbearbeitung von Aluminiumblechen auf das Restumformvermögen sowie die Festigkeitseigenschaften unter quasistatischer und schwingender Beanspruchung

Das Schwingfestigkeitsversagen zyklisch belasteter Aluminiumbauteile und die Kantenrissempfindlichkeit werden neben der Legierungszusammensetzung von der Schnittkantentopologie beeinflusst. Letztere ist Fertigungsverfahrensabhängig und hat einen maßgeblichen Einfluss auf das Restumformvermögen und somit auf die Bauteilherstellbarkeit und die Anrisslebensdauer. Bei Prototypenbauteilen erfolgt der Platinenbeschnitt i.d.R. durch Laserstrahlschneiden, in der Serienfertigung hingegen wird das Verfahren Scherschneiden bevorzugt. Die Kanteneigenschaften können durch die Prozessparameterwahl gezielt beeinflusst werden. Freigabeversuche für das Betriebsfestigkeitsverhalten und die Machbarkeitsuntersuchung der Bauteilherstellbarkeit werden meist an Prototypenbauteilen durchgeführt und auf den Serienzustand übertragen. Für die Lebensdaueranalyse zyklisch belasteter Bauteile wird häufig das Örtliche Dehnungskonzept verwendet, Eingangsgrößen werden an polierten Kanten erfasst und für die Abschätzung der Anrisslebensdauer beliebiger Kantenzustände verwendet.

Im Rahmen dieses Projekts wird zunächst das Restumformvermögen definiert hergestellter Blechkanten mit Hilfe des Edge-Fracture-Tensile-Tests bestimmt. Mittels der gewonnenen Erkenntnisse ist es möglich die Herstellbarkeit durch Berücksichtigung in der Umformsimulation und die Lebensdauer unter zyklischer Last gezielt vorherzusagen. Zudem wird ein Ansatz zur simulativen Vorhersage der Lebensdauer verfolgt. Die Wettbewerbsfähigkeit von KMU kann durch eine Berücksichtigung der Schnittkantentopologie bei der Herstellung und Auslegung von Aluminiumbauteilen gesteigert werden. Die Entstehung von Kantenrissen wird vermieden, wodurch die Planbarkeit erhöht und die Kosten der KMU zur Werkzeugeinarbeit verringert werden. Die Berücksichtigung des Kantenzustandes in der Betriebsfestigkeitsanalyse ermöglicht eine Auslegung und Lebensdauervorhersage unter zyklischer Belastung. Das Risiko kostenintensiver Rückrufaktionen wird vermindert.

Ergebniszusammenfassung:

Sowohl das Restumformvermögen als auch das Verhalten unter schwingender Beanspruchung zeigen eine starke Abhängigkeit vom Kantenzustand. Dieser ist wiederum abhängig von der Wahl der Schneidstrategie. Dabei kann sich zwischen der Kantenrissempfindlichkeit und dem Betriebsfestigkeitsverhalten auch ein Zielkonflikt einstellen. So kann eine Aufhärtung im Nahbereich der schergeschnittenen Kante die Kantenrissempfindlichkeit bei Umformvorgängen erhöhen, wohingegen im hcf-Bereich einer Schwingbeanspruchung die Lebensdauer positiv beeinflusst wird. Um den Zielkonflikt zu lösen, ist die Wahl der Schneidstrategie somit abhängig vom Umformgrad des herzustellenden Bauteils und dessen zu erwartenden Belastungen im Betrieb zu treffen. Weiterhin ist die Schneidstrategie auch werkstoffabhängig anzupassen. Die Wahl einer ungeeigneten Schneidstrategie kann dabei unerwünschte Effekte wie die Ausbildung von Sekundärglattschnitt hervorrufen.

Die im Rahmen des Projektes erzielten Ergebnisse können schnell, vergleichsweise einfach und ohne größeren Kostenaufwand in produzierenden Unternehmen umgesetzt werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass in der Regel lediglich eine Anpassung der Schneidaktivelemente ausreicht und kein neues Werkzeug notwendig ist. Auch das zweistufige Scherschneiden, mit dem besonders gute Ergebnisse hinsichtlich des Restformänderungsvermögens der Bauteilkante erzielt werden können, kann mit überschaubarem Aufwand in neue und auch bereits bestehende Werkzeuge integriert werden. Ebenfalls kann eine Verbesserung der Bauteillebensdauer durch angepasste Schneidstrategien mit entsprechend modifizierten Schneidaktivelementen erzielt werden. Beispielsweise soll hierzu die Erzeugung einer Blechvorbiegung vor dem eigentlichen Schneidprozess genannt werden, welche hinsichtlich der Schwingfestigkeit positive Ergebnisse hervorruft.